JPH1140314A

JPH1140314A - スパークプラグ

Info

Publication number: JPH1140314A
Application number: JP20228597A
Authority: JP
Inventors: Wataru Matsutani; 渉松谷
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1997-07-11
Filing date: 1997-07-11
Publication date: 1999-02-12

Abstract

(57)【要約】【課題】チップ材料としてＩｒを含有する焼結材料を
使用し、かつ高温でのＩｒ成分の酸化・揮発による消耗
が起こりにくく、ひいては耐久性に優れたスパークプラ
グを提供する。【解決手段】スパークプラグ１００は、中心電極３
と、その中心電極の外側に設けられた絶縁体２と、一方
の端部側から中心電極３を突出させた状態で、絶縁体２
の外側に設けられた主体金具１と、その主体金具１に一
端が結合され、他端側が中心電極３と対向するように配
置された接地電極４とを備え、それら中心電極３と接地
電極４との少なくとも一方にチップ３１ないし３２が固
着されて火花放電ギャップｇが形成される。そして、該
チップ３１ないし３２は、Ｉｒを主成分とし、かつＣ
ｕ、Ａｕ及びＡｇの少なくともいずれかを合計で０．３
〜８体積％含有する焼結材料により構成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は内燃機関に使用され
るスパークプラグに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、自動車エンジン等の内燃機関用の
スパークプラグとして、耐火花消耗性向上のために電極
の先端にＰｔ（白金）合金のチップを溶接したものが使
用されているが、白金は高価であるためチップ材料とし
て安価なＩｒ（イリジウム）を使用する提案がなされて
いる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上述のプラグにおいて
チップをＩｒで構成した場合、Ｉｒは９００〜１０００
℃の高温域において酸化・揮発しやすい性質を有してい
るため、そのまま電極発火部に使用すると、火花消耗よ
りも酸化・揮発による消耗が問題となる欠点がある。こ
の場合、Ｉｒの酸化・揮発を抑制するために、ＩｒにＹ
₂Ｏ₃等の希土類酸化物を分散させた酸化物−金属複合材
料をチップ材料として使用する提案もなされているが
（特開平７−３７６７７号）、近年のエンジンの高出力
化に伴いプラグの使用温度域はさらに上昇する傾向にあ
り、上記材料のチップを使用したプラグもその耐久性は
必ずしも十分とは言えない問題がある。

【０００４】本発明は、チップ材料としてＩｒを含有す
る焼結材料を使用し、かつ高温でのＩｒ成分の酸化・揮
発による消耗が起こりにくく、ひいては耐久性に優れた
スパークプラグを提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段及び作用・効果】本発明
は、中心電極と、その中心電極の外側に設けられた絶縁
体と、一方の端部側から中心電極を突出させた状態で、
絶縁体の外側に設けられた主体金具と、その主体金具に
一端が結合され、他端側が中心電極と対向するように配
置された接地電極と、それら中心電極と接地電極との少
なくとも一方に固着されて火花放電ギャップを形成する
発火部とを備えたスパークプラグに関するものであり、
上述の課題を解決するためにその請求項１の構成は、上
記発火部が、Ｉｒを主成分とし、かつＣｕ、Ａｕ及びＡ
ｇの少なくともいずれかを合計で０．３〜８体積％含有
する焼結材料により構成されていることを特徴とする。

【０００６】本発明者は、火花放電ギャップを形成する
発火部を、Ｉｒを主成分とし、かつＣｕ、Ａｕ及びＡｇ
の少なくともいずれかを合計で０．３〜８体積％含有す
る焼結材料で構成することで、焼結材料を使用するにも
拘わらず、高温でのＩｒ成分の酸化・揮発による消耗が
効果的に抑制されることを見い出したのである。これに
より、発火部の構成材料としてＩｒを主成分とする金属
を使用しつつも、耐久性（特に高速走行時の耐久性）に
優れたスパークプラグを実現することができる。また、
焼結材料で発火部が構成されているので、該発火部を形
成するためのチップの材料歩留まりと生産性を大幅に向
上させることができる。

【０００７】なお、上記発火部は、上記焼結材料からな
るチップを、接地電極及び／又は中心電極に対し溶接に
より接合して形成することができる。この場合、本明細
書でいう「発火部」とは、接合されたチップのうち、溶
接による組成変動の影響を受けていない部分（例えば、
溶接により接地電極ないし中心電極の材料と合金化した
部分を除く残余の部分）を指すものとする。

【０００８】また、焼結材料中のＣｕ、Ａｕ及びＡｇの
含有量を表す「体積％」は、本発明では下記のように定
義された値を使用する。すなわち、含有される金属元素
の数がｎ種類であり、それら各金属元素の重量比率をＭ
1、Ｍ2‥‥Ｍnとし、またそれら金属元素が単体として
存在する場合の常温での密度をそれぞれρ1、ρ2‥‥ρ
nとした場合、第ｉ成分（ｉ＝１、２、‥‥、ｎ）の体
積％（ｖｏｌ％ｉと記す）は、下記数１により算出され
る値を採用するものとする。

【０００９】

【数１】

【００１０】また、上記焼結材料は、後述の通り元素周
期律表の３Ａ族（いわゆる希土類元素）及び４Ａ族（Ｔ
ｉ、Ｚｒ、Ｈｆ）に属する金属元素の酸化物（複合酸化
物を含む）を０．１〜１５重量％の範囲内で含有しうる
（請求項７）。この場合、上記金属元素の体積％の値
は、次のようにして算出されるものを採用するものとす
る。まず、金属元素酸化物は、焼結材料中に含有される
Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ及び希土類元素（Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｃ
ｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓm、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈ
ｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ）の各金属元素について、
Ｔｉは全てＴｉＯ₂、Ｚｒは全てＺｒＯ₂、Ｈｆは全てＨ
ｆＯ₂、Ｃｅは全てＣｅＯ₂、Ｐｒは全てＰｒ₆Ｏ₁₁、Ｔ
ｂは全てＴｂ₄Ｏ₇、他は全てＭ₂Ｏ₃（ただしＭは、Ｃ
ｅ、Ｐｒ及びＴｂを除く前記希土類元素）の各組成式で
表される希土類酸化物の形で存在していると仮定して、
焼結材料中の各酸化物（ｍ種類とする）の重量含有比率
Ｎｊ（ｊ＝１、２、‥‥、ｍ）を算出する。そして、そ
れら酸化物の常温での密度をそれぞれｄ1、ｄ2、‥‥、
ｄmとした場合、前述のｖｏｌ％ｉを下記数２により算
出する。

【００１１】

【数２】

【００１２】発火部を上記焼結材料で構成することによ
り、その耐久性が向上する理由は下記のように推測され
る。すなわち、該焼結材料は、例えば図３（ａ）〜
（ｄ）に概念的に示すように、Ｉｒを主成分とするＩｒ
系金属相（５１）に対し、Ｃｕ、Ａｕ及びＡｇの少なく
ともいずれかを主体とする金属相（５２：放熱金属相）
が混在した組織を有するものとなる。ここで、金属相
（５２）はＩｒ系金属相（５１）よりも熱伝導率が大き
いため、結果として金属相（５２）が混在しない場合と
比較して、材料全体の熱伝導率が高められる形となる。
従って、このような材料で発火部を構成したスパークプ
ラグは、高速・高負荷運転時においても発火部の放熱が
よく進むので温度が上昇しにくくなり、ひいてはＩｒ成
分の酸化・揮発が抑制されてその耐久性が向上すること
となる。

【００１３】なお、請求項２は、上述のような材料組織
の観点から発明を捉えたものであり、発火部が、Ｉｒを
主成分とするＩｒ系金属相に対し、該Ｉｒ系金属相より
も熱伝導率の高い放熱金属相が混在した組織を有する焼
結材料により構成されたことを特徴とする。Ｉｒ系金属
相に対し放熱金属相が混在した組織を有する焼結材料で
発火部を構成することで発火部の熱伝導率が高められ、
ひいては高速・高負荷運転時においても発火部の温度上
昇が抑制されてその耐久性が向上する。

【００１４】上記焼結材料は、例えばＩｒ系金属相とな
るべき成分を主体とする粉末と、放熱金属相となるべき
成分を主体とする粉末とを混合した混合粉末、あるいは
Ｉｒ系金属相と放熱金属相とが始めから混在した混相組
織を有する粒子からなる粉末を原料粉末としてこれを圧
粉成形し、その成形体を焼結することにより製造でき
る。ここで、放熱金属相は、Ｉｒ系金属相よりも溶融開
始温度が低くなる組成を有するもの、具体的にはＣｕ、
Ａｕ及びＡｇの少なくともいずれかを主成分とするもの
として構成できる（請求項３、４）。この場合、放熱金
属相の成分をＩｒ系金属相よりも溶融開始温度が低くな
るように調整し、放熱金属相の少なくとも一部が溶融し
て液相を生ずる温度で焼結を行うようにすれば、生じた
液相がＩｒ系金属相粒同士の隙間に供給されてこれを埋
め、図３（ａ）に概念的に示すような組織とすることが
できる。すなわち、該組織では、放熱金属相（５２）は
主にＩｒ系金属相粒（５１）の粒子間に介在し、当該粒
子間に形成された隙間を少なくとも部分的に埋めるよう
に形成されている（請求項５）。なお、放熱金属相とＩ
ｒ系金属相との間には、両相間での成分拡散あるいは反
応に基づく境界相が生ずる場合がある。

【００１５】このような組織となれば、材料中に放熱金
属相が均一に分散するので放熱効果がさらに高められ、
発火部の温度上昇の抑制効果、ひいてはＩｒ成分の酸化
揮発の抑制効果が一層顕著となる。また、放熱金属相が
Ｃｕ、Ａｕ及びＡｇの少なくともいずれかが主成分とな
る場合には、該放熱金属相は高温酸化を起こしにくい
か、あるいは仮に酸化されても、その生成する酸化物が
安定で揮発や脱落等を起こしにくいものとなる。そし
て、このような相がＩｒ系金属相粒を取り囲むことで、
該Ｉｒ系金属相粒の継続的な酸化が防止ないし抑制され
る効果も期待できる。また、焼結時に液相が発生するこ
とで、Ｉｒ系金属相粒の再配列により焼結体が収縮・緻
密化し、それによってＩｒ系金属相粒の酸化揮発がさら
に抑制される可能性もありうる。

【００１６】なお、上記焼結材料中においては、図３
（ｃ）に示すように、複数のＩｒ系金属相粒（５１）同
士が放熱金属相（５２）を介さずに直接一体化した領域
（５４）が形成される場合がある。また、図３（ｄ）に
示すように上記材料は、Ｉｒ系金属相の領域（５４）中
に層状の放熱金属層（５２）が入り組んだ形の組織を示
す場合がある。上記一体化した領域（５４）は、例えば
互いに近接して位置するＩｒ系金属相粒（５１）同士
が、固相拡散、あるいは液相を介した成分供給によるネ
ック成長等により結合して形成される。

【００１７】放熱金属相は焼結材料中になるべく均一に
分散していることが、発火部の放熱改善のためにはより
望ましいといえる。例えば前述のように、Ｉｒ系金属相
となるべき成分を主体とする粉末（以下、Ｉｒ系金属粉
末という）と、放熱金属相となるべき成分を主体とする
粉末（以下、放熱金属粉末という）とを混合した混合粉
末とを原料粉末としてこれを圧粉成形し、その成形体を
焼結することにより製造する場合、放熱金属粉末の平均
粒径をＩｒ系金属粉末の平均粒径よりも小さく設定する
ことが、放熱金属相の均一分散を図る上で望ましい。

【００１８】また、次のような方法も有効である。すな
わち、図４（ａ）に示すように、Ｉｒを主体とする金属
粉末粒子（６０）に対し、Ｃｕ、ＡｇないしＡｕの１種
以上を主体とする金属層（６１）で被覆して複合金属粉
末粒（６２）を作る。金属層（６１）は、例えば化学メ
ッキ法（電解メッキあるいは無電解メッキ）あるいは気
相成膜法（例えば真空蒸着法、スパッタ法、ＣＶＤ法な
ど）により形成できる。こうして得られた複合金属粉末
粒（６２）を、通常の焼結法の他、ホットプレス法ある
いは熱間押出法により焼結すれば、同図（ｂ）に示すよ
うに、金属層（６１）に基づく放熱金属層（５２）が、
金属粉末粒子（６０）に基づくＩｒ系金属相の領域（５
４）に対し、均一に分散した焼結組織が得られる。

【００１９】Ｉｒに対する合金金属元素は、その熱伝導
率が高められて一定の放熱改善効果が達成されるのであ
れば、Ｉｒに対する固溶限の範囲で含有されていてもよ
い。例えばＩｒにＣｕを添加する場合、図６に示すよう
に、ＣｕはＩｒに対して８００℃以上で１〜３重量％程
度固溶することがわかる。そして、Ｃｕの含有量が室温
での固溶限以下の場合には、材料の組織は図５（ａ）に
示すように、Ｉｒ−Ｃｕ固溶体相（Ｉｒ系金属相：図６
ではβ相と表示）のほぼ単相組織となることもありう
る。

【００２０】次に放熱金属相は、Ｉｒ系金属相粒の粒子
間に介在する形態に限られるものではない。例えば、Ｃ
ｕのようにＩｒに対する固溶限が比較的大きい合金元素
を採用する場合、Ｉｒ系金属相粒中に該合金元素が主体
となる析出物や包晶生成物等が形成されることがあり、
これらも放熱金属相として機能しうる。すなわち、図６
に示すように、ＣｕのＩｒに対する固溶限は１８５０℃
付近の所定温度ＴXで最大値Ｃ1を示し、これ以下の温度
で固溶限は徐々に減少している。Ｃｕの含有量が包晶温
度ＴPでの固溶限Ｃ2以下である場合は、図５（ｂ）に示
すように、該ＴP以下の所定温度で、固溶しきれなくな
ったＣｕ成分がβ相マトリックス中にＣｕリッチなα相
として析出する（以下、析出α相という）。この析出α
相は放熱金属相の少なくとも一部を構成するものとな
る。

【００２１】一方、Ｃｕの含有量が、Ｃ1とＣ2との間で
設定されている場合には、温度ＴXで全体が一旦β相の
形で凝固し、さらにＴXとＴPとの間の所定温度でβ相の
一部が再溶融して液相Ｌが生ずる。そして、この液相Ｌ
が温度ＴPで周囲のβ相と包晶反応し、包晶生成物とし
てのα相（以下、包晶α相という）が形成される。該包
晶α相も放熱金属相となりうる。また、Ｃｕの含有量が
Ｃ1を超えて大きくなった場合は、包晶温度ＴPまではβ
相（Ｉｒ系金属相）と液相Ｌとが共存した状態が維持さ
れ、包晶温度ＴPでそれらが反応して同様に包晶α相が
形成される。この包晶α相は、β相（Ｉｒ系金属相）粒
子間に介在する放熱金属相の形成に寄与する。そして、
材料をさらに包晶温度ＴP以下に冷却すると、残余のβ
相中に析出α相が生成することとなる。その結果、図３
（ａ）及び（ｄ）に示すように、Ｉｒ系金属相（β相）
と、その粒子間に介在する放熱金属相（５１：主に包晶
α相に基づく）と、Ｉｒ系金属相中の析出物（５２ａ：
析出α相）とが共存する合金組織が形成されると推測さ
れる。

【００２２】発火部を構成する焼結材料中の放熱金属相
の含有比率は、例えば０．３〜８体積％の範囲で調整す
るのがよい。放熱金属相の含有比率が０．３体積％未満
になると、発火部の熱伝導率向上の効果が不十分とな
り、それによるＩｒ成分の酸化揮発抑制効果があまり期
待できなくなる。一方、放熱金属相の含有率が８体積％
を超えると、Ｉｒ系金属相の体積含有率が相対的に減少
し、Ｉｒ使用による発火部の耐熱性向上効果が十分に期
待できなくなる、上記体積含有率は、より望ましくは
０．８〜８体積％の範囲で調整するのがよい。なお、材
料中の放熱金属相の体積含有比率は、例えば材料の組織
写真中において放熱金属相と特定される領域の面積比率
から算出することができる。

【００２３】また、上記焼結材料中のＣｕ、Ａｕ及びＡ
ｇの合計含有量は０．３〜８体積％の範囲で調整する
（請求項１、６）。該合計含有量が０．３体積％未満に
なると、放熱金属相の形成量が不足して、それによる発
火部の熱伝導率向上の効果が不十分となり、ひいてはＩ
ｒ成分の酸化揮発抑制効果があまり期待できなくなる。
また、合計含有量が８体積％を超えると発火部の耐熱性
が不足し、スパークプラグの寿命低下を招くので好まし
くない。なお、Ｃｕ、Ａｕ及びＡｇの合計含有量は、よ
り望ましくは０．８〜８体積％の範囲で調整するのがよ
い。

【００２４】次に、発火部を構成する上記焼結材料は、
前述の通り元素周期律表の３Ａ族（いわゆる希土類元
素）及び４Ａ族（Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ）に属する金属元素
の酸化物（複合酸化物を含む）を０．１〜１５重量％の
範囲内で含有する金属−酸化物複合材料とすることがで
きる（請求項７）。これにより、Ｉｒ成分の酸化・揮発
による消耗がさらに効果的に抑制される。また、Ｉｒに
希土類酸化物を分散させたのみの焼結材料を用いた従来
のスパークプラグは、焼結材料特有の極端なＩｒの酸化
・揮発を必ずしも十分には抑制できず、スパークプラグ
の耐久性もそれほど高くならない。しかしながら、本発
明のように、Ｃｕ、ＡｇあるいはＡｕ等を主体とする放
熱金属相を混在させることによりＩｒ成分の酸化揮発は
顕著に抑制され、スパークプラグの耐久性の大幅な向上
が期待できる。

【００２５】この場合も、放熱金属相による発火部の温
度上昇抑制が、耐久性をさらに向上させるための大きな
要因になっていると思われる。また、希土類酸化物等が
介在すると焼結は一般に進みにくくなるが、前述のよう
に放熱金属相の溶融により液相が発生すれば焼結体の緻
密化がよく進み、Ｉｒの酸化揮発がさらに抑制されると
いうことも考えられる。なお図３（ｂ）〜（ｄ）に示す
ように、酸化物粒子（５３）は、焼結材料中に分散して
存在することとなる。

【００２６】なお、酸化物の含有量が０．１重量％未満
になると、当該酸化物添加によるＩｒの酸化・揮発防止
効果が十分に得られなくなる。一方、酸化物の含有量が
１５重量％を超えると、チップの耐熱衝撃性が低下し、
例えばチップを電極に溶接等により固着する際に、ひび
割れ等の不具合を生ずることがある。なお、希土類酸化
物の含有量は、より望ましくは０．５〜３重量％の範囲
で調整するのがよい。なお、上記酸化物としては、Ｙ₂
Ｏ₃が好適に使用されるが、このほかにもＬａＯ₃、Ｔｈ
Ｏ₂、ＺｒＯ₂等を使用することができる。

【００２７】次に、Ｉｒ系金属相は、例えばＩｒ単体金
属相として構成されていてもよいが、Ｉｒ合金相として
構成されていてもよい。具体的には、次のようなＩｒ合
金相とすることができる。

【００２８】（１）Ｉｒを主体としてＲｈを１〜４９．
８重量％の範囲で含有する合金相とする。これにより、
高温でのＩｒ成分の酸化・揮発による発火部の消耗がさ
らに効果的に抑制され、ひいてはより耐久性に優れたス
パークプラグが実現される。

【００２９】上記合金相中のＲｈの含有量が１重量％未
満になると、Ｒｈ添加によるＩｒの酸化・揮発の抑制効
果は不十分なものとなる。一方、Ｒｈの含有量が４９．
８重量％以上になると合金の融点が著しく低下し、プラ
グの耐久性が同様に低下する。以上のことから、Ｒｈの
含有量は前述の範囲で調整するのがよく、Ｒｈの含有量
は前述の範囲で調整するのがよく、望ましくは７〜３０
重量％、より望ましくは１５〜２５重量％、最も望まし
くは１８〜２２重量％の範囲で調整するのがよい。

【００３０】（２）Ｉｒを主成分とし、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｒ
ｕ及びＲｅの１種又は２種以上を０．５重量％以上含有
する合金相とする。これにより、高温でのＩｒ成分の酸
化・揮発による発火部の消耗がさらに効果的に抑制さ
れ、ひいてはより耐久性に優れたスパークプラグが実現
される。合金相中のＭｏ、Ｎｂ、Ｒｕ及びＲｅの合計含
有量が０．５重量％未満になると、これら成分の添加に
よるＩｒの酸化・揮発の抑制効果が十分に期待できなく
なる。該合計含有量は、望ましくは１重量％以上、さら
に望ましくは５重量％以上とするのがよい。

【００３１】なお、ＭｏないしＮｂを使用する場合は、
さらに望ましくは、ＭｏないしＮｂをＩｒに対する固溶
限以下の範囲で含有する合金相とするのがよい。Ｍｏな
いしＮｂがＩｒに対する固溶限を超えて含有された場
合、Ｉｒ₃ＭｏやＩｒ₃Ｎｂ等の脆弱な金属間化合物が形
成され、発火部の耐久性や耐衝撃性に問題を生ずる場合
がある。例えば、室温におけるＭｏのＩｒに対する固溶
限は約１２重量％であり、同じくＮｂのＩｒに対する固
溶限は約６重量％であることから、ＮｂないしＭｏを単
独含有させる場合には、それぞれ上記値よりも小さい含
有量に設定することが望ましいといえる。ただし、上記
金属間化合物の形成量が一定以下で、発火部の耐久性等
に及ぼす影響が小さい場合には、ＭｏないしＮｂの含有
量が上記固溶限を多少超えた値となっていても差しつか
えない。以上から、例えばＭｏを単独で含有させる場
合、その含有量は１３重量％以下、望ましくは１２重量
％以下とするのがよい。同様にＮｂについては、その含
有量を７重量％以下、望ましくは６重量％以下とするの
がよい。

【００３２】なお、上記合金相中には、Ｍｏ及びＮｂの
双方を含有させることも可能である。この場合、その含
有量は、Ｉｒ−Ｍｏ−Ｎｂ３元系におけるＩｒへのＭｏ
及びＮｂの固溶限以下の範囲で設定することが望まし
い。

【００３３】（３）Ｉｒを主体としてＲｈを０．１〜３
０重量％の範囲で含有し、さらにＲｕ及びＲｅの少なく
ともいずれかを合計で０．１〜１７重量％の範囲で含有
する合金相とする。これにより、高温でのＩｒ成分の酸
化・揮発による発火部の消耗がさらに効果的に抑制さ
れ、ひいてはより耐久性に優れたスパークプラグが実現
される。Ｒｈの含有量が０．１重量％未満になるとＩｒ
の酸化・揮発の抑制効果が不十分となり、発火部が消耗
しやすくなるためプラグの耐消耗性が確保できなくな
る。一方、Ｒｈの含有量が３０重量％を超えると、Ｒｅ
ないしＲｕを含有する合金相の融点が低下して耐火花消
耗性が損なわれ、プラグの耐久性が同様に確保できなく
なる。それ故、Ｒｈの含有量は上記範囲で調整される。

【００３４】一方、ＲｕないしＲｅの合計含有量が０．
１重量％未満になると、これら元素の添加によるＩｒの
酸化・揮発による消耗を抑制する効果が不十分となる。
また、ＲｕないしＲｅの合計含有量が１７重量％を超え
ると、発火部が却って火花消耗しやすくなり、プラグの
十分な耐久性が確保できなくなる。それ故、Ｒｕ及びＲ
ｅの合計含有量は上記範囲で調整され、望ましくは０．
１〜１３重量％、さらに望ましくは０．５〜１０重量％
の範囲で調整するのがよい。なお、Ｒｕ及びＲｅはいず
れか一方のみを単独で添加しても、両者を複合して添加
してもいずれでもよい。

【００３５】ＲｕないしＲｅが合金相中に含有されるこ
とにより発火部の耐消耗性が改善される原因の一つとし
て、例えばこれら成分の添加により、合金相表面に高温
で安定かつ緻密な酸化物皮膜が形成され、単体の酸化物
では揮発性が非常に高かったＩｒが、該酸化物皮膜中に
固定されることが推測される。そして、この酸化物皮膜
が一種の不動態皮膜として作用し、Ｉｒ成分の酸化進行
を抑制するものと考えられる。また、Ｒｈを添加しない
状態では、ＲｕないしＲｅを添加しても合金相の高温で
の耐酸化揮発性はそれほど改善されないことから、上記
酸化物皮膜はＩｒ−（Ｒｕ，Ｒｅ）−Ｒｈ系等の複合酸
化物であり、これが緻密性ないし合金相表面に対する密
着性においてＩｒ−（Ｒｕ，Ｒｅ）系の酸化物皮膜より
優れたものとなっていることも考えられる。

【００３６】なお、ＲｕないしＲｅの合計含有量が増え
過ぎると、Ｉｒ酸化物の揮発よりはむしろ下記のような
機構により火花消耗が進行するようになるものと推測さ
れる。すなわち、形成される酸化物皮膜の緻密性あるい
は合金相表面に対する密着力が低下し、該合計含有量が
１７重量％を超えると特にその影響が顕著となる。そし
て、スパークプラグの火花放電の衝撃が繰返し加わる
と、形成されている酸化物皮膜が剥がれ落ちやすくな
り、それによって新たな金属面が露出して火花消耗が進
行しやすくなるものと考えられる。

【００３７】また、Ｒｕ及び／又はＲｅの添加により、
さらに次のような重要な効果を達成することができる。
すなわち、Ｒｕ及び／又はＲｅを合金相中に含有させる
ことにより、Ｉｒ−Ｒｈ二元合金を使用する場合と比較
して、Ｒｈ量を大幅に削減しても耐消耗性を十分に確保
でき、ひいては高性能のスパークプラグをより安価に構
成できるようになる。この場合、Ｒｈの含有量は０．１
〜３重量％、より望ましくは０．１〜１重量％となって
いるのがよい。

【００３８】

【発明の実施の形態】以下、本発明のいくつかの実施の
形態を図面を用いて説明する。図１に示す本発明の一例
たるスパークプラグ１００は、筒状の主体金具１、先端
部２１が突出するようにその主体金具１の内側に嵌め込
まれた絶縁体２、先端に形成された発火部３１を突出さ
せた状態で絶縁体２の内側に設けられた中心電極３、及
び主体金具１に一端が溶接等により結合されるとともに
他端側が側方に曲げ返されて、その側面が中心電極３の
先端部と対向するように配置された接地電極４等を備え
ている。また、接地電極４には上記発火部３１に対向す
る発火部３２が形成されており、それら発火部３１と、
対向する発火部３２との間の隙間が火花放電ギャップｇ
とされている。

【００３９】絶縁体２は、例えばアルミナあるいは窒化
アルミニウム等のセラミック焼結体により構成され、そ
の内部には自身の軸方向に沿って中心電極３を嵌め込む
ための孔部６を有している。また、主体金具１は、低炭
素鋼等の金属により円筒状に形成されており、スパーク
プラグ１００のハウジングを構成するとともに、その外
周面には、プラグ１００を図示しないエンジンブロック
に取り付けるためのねじ部７が形成されている。

【００４０】次に、中心電極３及び接地電極４の本体部
３ａ及び４ａはＮｉ合金等で構成されている。一方、上
記発火部３１及び対向する発火部３２は、Ｉｒを主成分
とし、Ｃｕ、Ａｕ及びＡｇの少なくともいずれかを合計
で０．３〜８体積％、望ましくは０．８〜８体積％含有
するとともに、希土類酸化物として例えばＹ₂Ｏ₃を０．
１〜１５重量％の範囲内で含有する金属−酸化物焼結複
合材料により構成されている。該焼結複合材料は、例え
ば図３（ｂ）に概念的に示すように、Ｉｒを主成分とす
るＩｒ系金属相５１に対し、Ｃｕ、Ａｕ及びＡｇの少な
くともいずれかを主体とする放熱金属相５２が混在する
とともに、酸化物粒子５３がこれに分散して存在した組
織を有するものである。該組織では、放熱金属相５２
は、Ｉｒ系金属相粒５１の粒子間に介在し、当該粒子間
に形成された隙間を少なくとも部分的に埋めるように形
成されている。なお、図３（ｃ）ないし（ｄ）に示すよ
うに、複数のＩｒ系金属相粒５１同士が放熱金属相５２
を介さずに直接一体化した領域５４が形成される場合が
あり、例えば、図３（ｄ）に示すように、Ｉｒ系金属相
の領域５４中に層状の放熱金属層５２が入り組んだ形の
組織を示す場合がある。

【００４１】次に、図２に示すように、中心電極３の本
体部３ａは先端側が縮径されるとともにその先端面が平
坦に構成され、ここに上記発火部を構成する合金組成か
らなる円板状のチップを重ね合わせ、さらにその接合面
外縁部に沿ってレーザー溶接、電子ビーム溶接、抵抗溶
接等により溶接部Ｗを形成してこれを固着することによ
り発火部３１が形成される。また、対向する発火部３２
は、発火部３１に対応する位置において接地電極４にチ
ップを位置合わせし、その接合面外縁部に沿って同様に
溶接部Ｗを形成してこれを固着することにより形成され
る。なお、これらチップは、例えば表記組成となるよう
に各合金成分を配合・溶解することにより得られる溶解
材、又は合金粉末あるいは所定比率で配合された金属単
体成分粉末を成形・焼結することにより得られる焼結材
により構成することができる。

【００４２】発火部３１及び対向する発火部３２のいず
れか一方を省略する構成としてもよい。この場合には、
発火部３１又は対向する発火部３２及び接地電極４又は
中心電極３との間で火花放電ギャップｇが形成される。

【００４３】以下、スパークプラグ１００の作用につい
て説明する。すなわち、スパークプラグ１００は、その
ねじ部７においてエンジンブロックに取り付けられ、燃
焼室に供給される混合気への着火源として使用される。
ここで、その火花放電ギャップｇを形成する発火部３１
及び対向する発火部３２を構成する前述の材料は、Ｉｒ
系金属相５１に対しこれよりも熱伝導率の高い放熱金属
相５２が混在しているので、材料全体の熱伝導率が高め
られている。従って、このような材料で発火部を構成し
たスパークプラグ１００は、高速・高負荷運転時におい
ても発火部３１，３２の放熱がよく進むので温度が上昇
しにくくなり、ひいてはＩｒ成分の酸化揮発が抑制され
てその耐久性が向上することとなる。これにより、長期
に渡って火花放電ギャップｇが拡大せず、プラグ１００
の寿命を伸ばすことができる。

【００４４】

【実施例】

（実施例１）Ｉｒ金属粉末（粒径２μｍ）に対し、Ｙ₂
Ｏ₃粉末（粒径１μｍ）と、Ａｕ粉末（粒径１μｍ）、
Ａｇ粉末（粒径１μｍ）及びＣｕ粉末（粒径１μｍ）の
１種又は２種とを所定の比率で混合し、これを成形して
温度１１００℃で５時間焼結することにより、表１に示
す各組成を有する金属−酸化物複合材料のチップを作成
した（Ｎｏ．１は、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕを配合しない比較
例）。なお、得られたチップの寸法は、直径０．７ｍ
ｍ、厚さ０．５ｍｍである。また、各チップの組成はＩ
ＰＣ法により同定した。さらに、各チップについてＥＰ
ＭＡにより相分布を調べたところ、Ｎｏ．１の試料を除
いていずれも、Ｉｒを９９重量％以上含有するＩｒ系金
属相に対し、Ｃｕ、Ａｕ及びＡｇの１種又は２種を合計
で９０体積％以上含有する層状の放熱金属相が入り組ん
だ形で混在するとともに、Ｙ₂Ｏ₃粒子が全体に分散した
組織を呈していた。

【００４５】

【表１】

【００４６】そして、それらチップを用いて、図１に示
すスパークプラグ１００の発火部３１及び対向発火部３
２を形成するとともに（火花放電ギャップｇの幅１．１
mm）、各プラグの性能試験を以下の条件にて行った。す
なわち、ＤＯＨＣガソリンエンジン（排気量２５００c
c）に各プラグを取り付け、スロットル全開状態、エン
ジン回転数５５００ｒｐｍにて３００時間連続運転した
後、火花放電ギャップの拡大量を測定した。また、スパ
ークプラグの中心電極側の発火部直下に熱電対を挿入
し、中心電極の温度を測定した。以上の結果を表１に示
す。

【００４７】すなわち、Ａｕ、ＡｇないしＣｕの合計含
有量が０．３体積％未満の比較例のスパークプラグ（Ｎ
ｏ．１、２、９、１６）については、中心電極温度がい
ずれも１０００℃以上となり、ギャップの拡大も著しい
のに対し、含有量が０．３体積％〜８体積％の実施例の
スパークプラグについては、中心電極温度が１０００℃
を下回り、ギャップの拡大も小さく耐久性に優れている
ことがわかる。

【００４８】また、各プラグについては、同様のエンジ
ンに取り付けてスロットル全開状態、エンジン回転数５
５００ｒｐｍにて１分運転した後、１分アイドリングす
るサイクルを１００時間まで繰り返す冷熱サイクル試験
も行った。その結果、Ａｕ、ＡｇないしＣｕの含有量が
８体積％を超える比較例のスパークプラグ（Ｎｏ．７、
１４、２１）については、放熱金属層の異常消耗が生
じ、発火部を形成するチップの脱落が生じたのに対し、
実施例の各プラグについては問題は何ら生じなかった。

【００４９】（実施例２）所定量のＩｒとＲｈを配合・
溶解することにより、Ｒｈを０〜６０重量％、の各種比
率で含有し残部が実質的にＩｒで構成された合金（ただ
し、Ｒｈ＝０及び６０重量％は比較例）を用意し、これ
をボールミル粉砕により粉末化した。次に、これを母材
金属粉末として、Ｃｕ粉末（平均粒径１μm）を混合し
た後、所定形状に成形して焼結することにより各種組成
を有する金属−無機化合物複合材料のチップを作成し
た。なお、Ｃｕ粉末の混合量は、得られる焼結体中のＣ
ｕの含有量が１体積％となるように調整した。

【００５０】そして、このチップを用いて図１に示すス
パークプラグ１００の発火部３１及び対向する発火部３
２を形成し（火花放電ギャップｇの幅：１．１mm）、プ
ラグの性能試験を以下の条件にて行った。条件Ａ（連続高速運転を想定）：６気筒ガソリンエンジ
ン（排気量３０００cc）にそれらプラグを取り付け、ス
ロットル全開状態、エンジン回転数６０００ｒｐｍにて
３００時間連続運転し（中心電極温度約９００℃）、運
転終了後のプラグの火花放電ギャップｇの拡大量を測定
した。図７は、その結果を、合金中のＲｈの含有量と火
花放電ギャップ増加量との関係で示したものである。条件Ｂ（市街地運転を想定）：４気筒ガソリンエンジン
（排気量２０００cc）にそれらプラグを取り付け、アイ
ドリング１分→エンジン回転数３５００ｒｐｍ、全開状
態で３０分→エンジン回転数２０００ｒｐｍ、半開状態
で２０分を１サイクルとして、１０００時間運転し（中
心電極温度約７８０℃）、運転終了後のプラグの火花放
電ギャップｇの拡大量を測定した。図８は、その結果
を、合金中のＲｈの含有量と火花放電ギャップ増加量と
の関係で示したものである。

【００５１】条件Ｂにおいては、チップの合金組成範囲
が本発明の範囲に属するプラグについては、火花放電ギ
ャップｇの増加が小さいのに対し、比較例（Ｒｈ６０重
量％以上）のプラグは火花放電ギャップが著しく拡大し
ていることがわかる。また、それよりも高負荷の条件Ａ
においては、実施例と比較例（Ｒｈ６０重量％以上、及
びＰｔ−Ｉｒ合金）との間における火花放電ギャップ増
加量の差がさらに顕著となっている。また、Ｒｈの含有
量範囲が３〜５０重量％から７〜３０重量％へ、さらに
は１５〜２５重量％へと変化するに伴い、ギャップ増加
量が段階的に減少しており、特にＲｈ含有量が１５〜２
５重量％であるチップを使用したプラグにおいては、厳
しい運転条件にも拘わらず、非常に良好な耐久性を示し
ていることがわかる。

【００５２】（実施例３）所定量のＩｒとＲｈを配合・
溶解することにより、Ｒｈを０〜６０重量％、の各種比
率で含有し残部が実質的にＩｒで構成された合金（ただ
し、Ｒｈ＝０及び６０重量％は比較例）を用意し、これ
をボールミル粉砕により粉末化した。次に、これを母材
金属粉末として、Ｃｕ粉末（平均粒径１μm）を混合し
た後、所定形状に成形して焼結することにより各種組成
を有する金属−無機化合物複合材料のチップを作成し
た。なお、Ｃｕ粉末の混合量は、得られる焼結体中のＣ
ｕの含有量が１体積％となるように調整した。そして、
このチップを用いて実施例２と同様のプラグを作製し、
実施例２の条件Ａよりもさらに厳しい下記条件Ｃにて性
能試験を行った。条件Ｃ：４気筒ガソリンエンジン（排気量１６００cc）
にそれらプラグを取り付け、スロットル全開状態、エン
ジン回転数６２５０ｒｐｍにて３００時間連続運転し
（中心電極温度約９５０℃）、運転終了後のプラグの火
花放電ギャップｇの拡大量を測定した。図９は、その結
果を、合金中のＲｈの含有量と火花放電ギャップ増加量
との関係で示したものである。

【００５３】該結果によれば、Ｒｈの含有量範囲が１８
〜２２重量％であるチップを使用したプラグにおいて
は、Ｒｈ含有量が該範囲外にあるチップを使用したもの
に比べて、条件Ｂよりも厳しい条件Ｃにおいてもギャッ
プ増加量が小さく、より良好な耐久性を示していること
がわかる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のスパークプラグを示す正面部分断面
図。

【図２】その要部を示す拡大断面図。

【図３】発火部を構成する焼結材料の組織の例を概念的
に示す図。

【図４】発火部を構成する焼結材料の組織の別の例を概
念的に示す図。

【図５】複合金属粉末を用いて焼結材料を製造する方法
を概念的に示す図。

【図６】Ｉｒ−Ｃｕ系２元状態図。

【図７】発火部を構成する合金中のＲｈ含有量と、火花
放電ギャップの拡大量との関係を示すグラフ（実施例
２：条件Ａ）。

【図８】発火部を構成する合金中のＲｈ含有量と、火花
放電ギャップの拡大量との関係を示すグラフ（実施例
２：条件Ｂ）。

【図９】発火部を構成する合金中のＲｈ含有量と、火花
放電ギャップの拡大量との関係を示すグラフ（実施例
３：条件Ｃ）。

【符号の説明】

１主体金具２絶縁体３中心電極４接地電極３１発火部（チップ）３２対向する発火部（チップ）ｇ火花放電ギャップ５１Ｉｒ系金属相５２放熱金属相

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】中心電極と、その中心電極の外側に設け
られた絶縁体と、前記絶縁体の外側に設けられた主体金
具と、前記中心電極と対向するように配置された接地電
極と、それら中心電極と接地電極との少なくとも一方に
固着されて火花放電ギャップを形成する発火部とを備
え、その発火部が、Ｉｒを主成分とし、かつＣｕ、Ａｕ及び
Ａｇの少なくともいずれかを合計で０．３〜８体積％含
有する焼結材料で構成されることを特徴とするスパーク
プラグ。
【請求項２】中心電極と、その中心電極の外側に設け
られた絶縁体と、前記絶縁体の外側に設けられた主体金
具と、前記中心電極と対向するように配置された接地電
極と、それら中心電極と接地電極との少なくとも一方に
固着されて火花放電ギャップを形成する発火部とを備
え、その発火部が、Ｉｒを主成分とするＩｒ系金属相に対
し、該Ｉｒ系金属相よりも熱伝導率の高い放熱金属相が
混在した組織を有する焼結材料により構成されたことを
特徴とするスパークプラグ。
【請求項３】前記放熱金属相は、前記Ｉｒ系金属相よ
りも溶融開始温度が低くなる組成を有するものである請
求項２記載のスパークプラグ。
【請求項４】前記放熱金属相は、Ｃｕ、Ａｕ及びＡｇ
の少なくともいずれかを主成分として構成されている請
求項３記載のスパークプラグ。
【請求項５】前記焼結材料において、前記放熱金属相
は主に前記Ｉｒ系金属相粒の粒子間に介在し、当該粒子
間に形成された隙間を少なくとも部分的に埋めるように
形成されている請求項２ないし４のいずれかに記載のス
パークプラグ。
【請求項６】前記焼結材料は、Ｃｕ、Ａｕ及びＡｇの
少なくともいずれかを合計で０．３〜８体積％含有する
ものである請求項４又は５に記載のスパークプラグ。
【請求項７】前記焼結材料は、元素周期律表の３Ａ族
及び４Ａ族に属する金属元素の酸化物を０．１〜１５重
量％の範囲内で含有する金属−酸化物複合材料である請
求項１ないし６のいずれかに記載のスパークプラグ。
【請求項８】前記酸化物はＹ₂Ｏ₃である請求項７記載
のスパークプラグ。